EP1424937B1 - Medical implant system - Google Patents
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- EP1424937B1 EP1424937B1 EP02791457A EP02791457A EP1424937B1 EP 1424937 B1 EP1424937 B1 EP 1424937B1 EP 02791457 A EP02791457 A EP 02791457A EP 02791457 A EP02791457 A EP 02791457A EP 1424937 B1 EP1424937 B1 EP 1424937B1
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Definitions
- the invention relates to a medical implant system with a Implant made of a composite material in which glass fibers are embedded are, at least one embedded in the implant the sensor element comprising glass fibers with a measuring device is connected, which is a physical property of the sensor element or its environment or its change.
- Medical implants for example bone plates, intramedullary nails, Endoprostheses, osteosynthesis systems for the spine, etc.
- implants that consist of a composite material, in which glass fibers are embedded for reinforcement, in particular medical implants of this type consist of sterilizable, selected ones Plastics such as polyether ether ketone, polyamides etc.
- these implants When these implants are inserted into the body, they are different Exposed to influences, for example different Strains and stresses, temperature developments or chemical Environments. It would be of interest to the treating type to experience these different parameters as they provide information about the healing process or about any problems that may arise.
- the subject of the application lies based on the task of a generic medical implant system to improve so that information about physical Preserve properties in and around the implant can.
- This task is the beginning of a medical implant described type according to the invention solved in that the glass fibers in the form of a woven fabric, a knitted fabric or a fleece as a mechanical Reinforcement are embedded in the composite material.
- the glass fibers therefore form a network that is integrated into the composite material is embedded and thereby reinforced.
- Glass fibers are in various forms as a material for reinforcement known (DE 39 14 164 C1), but the glass fibers serve exclusively as reinforcement material. As part of the present Invention, however, are the glass fibers at the same time as reinforcement and used as a sensor element, and this is from the known State of the art was not obvious.
- glass fiber all fibrous, in the Composite embeddable substances that are capable of electromagnetic radiation must be conducted and transmitted, preferably these fibers are made of quartz glass, but they can also other substances are used, for example fibers Plastic, so-called plastic optical fibers (POF).
- fibers Plastic so-called plastic optical fibers (POF).
- the glass fibers can concentrated in certain areas of the implant or over the entire extent of the implant should be distributed.
- the measuring device is preferably designed so that it is electromagnetic Radiation feeds into the sensor element and from the Type of continuous and / or reflected radiation physical Properties of the sensor element or determined by its environment.
- the glass fiber of the sensor element is according to a preferred embodiment provided with a radiation reflecting coating.
- the sensor element is present essentially from the glass fiber forming a sensor fiber. In this embodiment, it is in the composite material embedded fiber optic at the same time sensor and transmission element for electromagnetic radiation.
- the glass fiber acts as a sensor fiber
- the glass fiber acts as a sensor fiber
- at least one acting as a Bragg grating in the sensor fiber Area incorporated.
- the periodic Changes in the refractive index in the longitudinal direction of the sensor fiber has radiation is reflected, which is superimposed on reflection and only for very specific wavelengths in the reverse direction strengthened.
- This wavelength depends on the periodicity of the Bragg grating area and changes with this periodicity. Every change in length the sensor fiber or any change in the periodicity of the Bragg-lattice, which occurs due to external influences, can occur can be determined in the form of a wavelength shift.
- the sensor fiber one by the fed electromagnetic Radiation to fluorescence-excited substance is embedded, their fluorescent properties under the influence of the environment experienced changes outside the sensor fiber.
- These changes can be mechanical changes, but in particular the Fluorescence property of the embedded substance through the chemical Environment of the sensor fiber can be influenced, for example can the fluorescence from certain substances in the environment to be deleted.
- the radiation-reflecting coating consists of a substance, under the influence of the environment outside the sensor fiber Reflection behavior for the electromagnetic radiation in the sensor fiber changed. As a result, the one passing through the sensor fiber and reflected amount of radiation changes, and this leaves establish themselves.
- any change in the properties of the radiation can be detected changes in wavelength, phase position, the polarization, etc., it is only essential that this Changes in a clearly recognizable context with changes of the properties in the vicinity of the sensor fiber, for example with changes in mechanical tension, temperature or the material composition.
- the sensor element comprises the glass fiber and another Sensor element, which is connected to the measuring device via the glass fiber is.
- the glass fiber essentially acts as a transmission element between the sensor element and the Measuring device.
- the sensor element can be a pressure sensor with a flexible one Membrane and one of these movable mirror element, which the electromagnetic radiation fed into the glass fiber reflected differently according to position.
- the sensor element can be a Fabry-Perot interferometer his.
- the active layer under the influence of the environment experiences dimensional changes.
- Such active layer can for example be porous and swell, when it comes in contact with a liquid, this way For example, it can be determined whether an implant is still sealed or has a desired or undesirable opening to the environment.
- the Fabry-Perot interferometer comprises two glass fibers with polished end faces, whose distance can be changed by environmental influences. This configuration is particularly beneficial when there are strains or displacements should be determined within an implant.
- the glass fiber of the sensor element can be used directly with the measuring device be connected, the measuring device being carried inside the body can be, but also outside. In the latter case, the Glass fiber from the implant through the body tissue to the outside performed so that there is a connection to the measuring device can be.
- the measuring device is in the body implantable microcontroller.
- the glass fiber is included connected to a transmitter that signals without physical connection exchanged with the measuring device.
- This transmitter can in particular be implantable in the body, for example, it can be a transponder.
- the transmitter is a Light source to which a light receiver is assigned. It turned out that light of different wavelengths body tissue in some Extensions can penetrate, so that between a light receiver and a light source, part of which is in the body and one Part are arranged outside, transmitted by light Radiant energy is possible, especially when the light source electromagnetic radiation in the range between 650 and 1000 nm sending out.
- the measuring device a radiation transmitter is assigned, which uses a glass fiber in the implant Radiation is transported into the interior of the implant.
- a Radiation transmitter can be used in addition to Determination of the physical properties of the implant by the coupled radiation to act on the implant and this to change, for example by heating in certain areas or similar.
- the transport of the radiation via a glass fiber takes place in addition to the glass fiber of a sensor element is embedded in the implant, but it can also be provided be that the transport of the radiation over the glass fiber of a sensor element he follows. In this case it is advantageous if appropriate Switching elements are used which select the fiber optics connect to the measuring device and to the radiation transmitter.
- a configuration in which the wavelength and is particularly advantageous Intensity of the transported radiation are chosen so that the radiation mechanical and / or in the composite material of the implant causes material changes. For example, it is possible, an additional curing of a polymer composite in certain areas or vice versa Weakening by destroying the composite material, so that on this way the mechanical properties of the implant in larger Areas or can be changed locally.
- the measuring device and the radiation transmitter a controller is assigned, which the radiation transmitter depending on the Measured variables of the measuring device activated.
- the physical data of the implant for example the mechanical transferred to the implant
- Tensions for example, a measure of the healing process are, these tensions increase with increasing stability Bone connection as part of the stress from the bone is taken over. It is then cheap, according to this regeneration to reduce the strength of the implant of the bone connection, so that the power transmission function increasingly from that healing bones.
- An implant 1 in the form of a bone plate with openings 2 for receiving of bone screws is in a manner known per se Bone screws connected to two bone fragments 3, 4, that they are fixed in a certain relative position to each other, so that, for example, a break 5 can heal (Figure 1).
- the Implant 1 consists of a plastic material, for example a resorbable plastic such as polylactide (PLLA, PL DLLA), polyglycolite (PGA) or trimethylene carbonate (TMC), and in this plastic material 6, glass fibers 7 are embedded.
- PLLA polylactide
- PGA polyglycolite
- TMC trimethylene carbonate
- the glass fibers 7 in the embodiment of Figure 1 are with a Transmission element 8 connected, for example a conventional one Transponder on the implant 1 itself or at a distance from the implant 1 inside the patient's body or on the inside Surface of the patient's body can be placed on it can also be an optical element, which is light can receive and transmit, for example a small parabolic mirror, a lens or the like.
- a Transmission element 8 connected, for example a conventional one Transponder on the implant 1 itself or at a distance from the implant 1 inside the patient's body or on the inside Surface of the patient's body can be placed on it can also be an optical element, which is light can receive and transmit, for example a small parabolic mirror, a lens or the like.
- all glass fibers 7 arranged in the implant 1 with the transmission element 8 connected only in the embodiment of Figure 2 some, while other glass fibers are used exclusively to reinforce the Serve implant 1. This can be chosen differently from case to case in extreme cases, it is sufficient to have a single glass fiber 7 in the implant 1 to
- the transmission element 8 is a corresponding transmission element 9 assigned, which via a line 10 with a measuring device 11 is connected. Between the transmission elements 8 and 9 signals can be exchanged, it can be electrical signals to optical signals to mechanical signals Act (ultrasound), the only essential thing is that of the transmission element 8 into the glass fiber and possibly from the glass fiber in the transmission element 8 transmit electromagnetic energy which is converted into signals in the transmission element 8 then in any way to the transmission element 9 and thus Measuring device 11 can be passed.
- Act ultrasound
- the Transmission element 8 and 9 in an arrangement of the transmission element 8 inside the body between them an electromagnetic Radiation with a wavelength between 650 and 1000 nanometers exchange, this electromagnetic radiation can affect the body tissue penetrate to a certain depth and can therefore a signal connection between the two transmission elements 8 and 9, both in the direction of irradiation and in the direction of emission.
- the radiation coupled into the glass fiber 7 in this way is shown in the fiber 7 out and through this itself or by a with it connected sensor member 12 changes, depending on the physical state data of the glass fiber 7, the sensor element 12 or the surrounding area.
- the resulting from the glass fiber 7 Transmission element 8 radiation fed in the reverse direction is accordingly changed, and this change can be detected by the measuring device 11 notice, which is a feedback about changes the physical state of the glass fiber, the sensor element 12 and / or the surroundings thereof.
- Electromagnetic radiation is diverse, it can be based on this Way length changes, deformations, mechanical tensile stresses, Forces, vibrations, pressures, angles of rotation, electrical or magnetic Field strengths, currents, temperatures, humidity, ionizing Radiations or concentration or presence of chemical Determine substances, this is just a selection of the possible ones physical states that can be determined in this way. Based 5 to 10 are some examples of the influence below of electromagnetic radiation in a glass fiber is discussed.
- FIG Glass fibers are spaced apart in the longitudinal direction
- Different areas 13, 14, 15 are provided, in which in the longitudinal direction periodic changes in the refractive index of the fiber occur.
- These can be generated, for example, by one, for example quartz glass fiber doped with germanium dioxide via a microlithographic Mask with ultraviolet light of 240 nm wavelength is irradiated. This creates one in each area 13, 14, 15 Arrangement of a Bragg grating, the periodicity and thus the Lattice constant in different areas 13, 14, 15 different to get voted.
- each of these Bragg gratings an interference radiation very specific wavelength is reflected, this wavelength is dependent on the periodicity of the lattice and thus also changes when this the periodicity changes.
- Such a change in periodicity or Lattice constant can be caused by external influences, for example by stretching the glass fiber, by bending the glass fiber, by heating etc. Since in each area 13, 14, 15 only radiation of a certain one Wavelength is reflected, you can look at the wavelength of the reflected radiation immediately read in which area a Reflection has occurred, also gives the shift in wavelength Information about changes in the grid spacing in these areas, so for example about the stretching of the glass fiber in certain areas.
- Measuring device can make statements about it from the reflected radiation make how large an elongation is in each of the areas 13, 14, 15. This is particularly useful when using several Such glass fibers provide precise information about the deformation of the Implants 1 in the body and thus, for example, on the healing process when bone fragments grow together. The stretch due to the forces exerted will be greatest when the Bone fragments have not yet grown together and they will continuously decrease with the healing progress.
- the radiation emitted in this way can be determined by the measuring device.
- Environmental influences, for example certain chemical substances in the environment of the area 16 can influence the fluorescence, for example the fluorescence intensity can be reduced or the fluorescence be completely deleted.
- the measuring device receives on this Wise information about the presence of certain chemical substances in the vicinity of area 16.
- the glass fiber 7 has a coating 18 envelops the outlet of the guided through the glass fiber 7 prevents electromagnetic radiation.
- This coating can react with chemical substances 19 in the environment and itself implement so that the exit properties of the electromagnetic Radiation can be changed in the area where the chemical Substance 19 is located, and in this way you get one again Change in reflected radiation depending on certain chemical substances 19 in the vicinity of the glass fiber 7.
- the flat ground end 20 of the glass fiber 7 also a flat ground end 21 one Glass fiber piece 22 opposite, between the ends 20 and 21st a very narrow gap 23 is formed, for example the gap width A are of the order of 50 mm.
- This arrangement forms a Fabry-Pérot interferometer and reflects radiation from a whole certain wavelength, this depends on the gap width A. Moving the two ends 20 and 21 relative to each other results there is also a shift in the wavelength of the reflected Radiation, and this can be determined very sensitively. This too For example, stretching of the implant can result in the glass fiber 7 and the glass fiber piece 22 are transmitted without notice more.
- an active layer 24 is inserted into the gap 23, which their dimension, for example their volume, as a function of environmental influences changes. It can be, for example porous structure act when liquid enters the pores swells. This changes the gap width B and this leads to a change in the wavelength of the Fabry-Pérot arrangement reflected radiation.
- FIGS. 8 and 9 thus form one Sensor member 12, which via the glass fiber 7 with the measuring device 11 is connected in the exemplary embodiments of FIGS. 5 to 7, however, the glass fiber 7 itself is a sensor element, it is about So here are glass fibers that are themselves sensor fibers.
- the glass fiber 7 is a sensor element 12 in the form of a pressure sensor 25.
- connection of the transmission element 8 with the measuring device 11 is in the embodiment in the Figure 3 symbolized by a line 10, it can be a physical line or around a wireless transmission link act.
- a radiation source 29 provided with one or more glass fibers 30 in connection stand, which are embedded in the plastic material 6 of the implant 1 are.
- a radiation source 29 provided with one or more glass fibers 30 in connection stand, which are embedded in the plastic material 6 of the implant 1 are.
- FIG. 3 there is only one such glass fiber 30 shown, which is directly connected to the radiation source 29 is to be understood only as a schematic representation.
- several glass fibers 30 can be provided, which are similar How the glass fibers 7 are connected to the measuring device are in turn connected to the radiation source 29, that is to say via transmission elements, which are located in the body or outside could, etc.
- the radiation source 29 can be an electromagnetic one in the glass fibers 30 Feed in radiation that emerges inside the implant 1 and creates a direct influence on the environment there, for example a heating of the surrounding plastic material 6 or but additional curing through increased polymerization or but a dissolution of polymerization compounds etc.
- electromagnetic radiation is an influence the physical data of the plastic material 6 and possibly the Environment of the implant 1, for example, the strength of the Implants are increased or decreased locally or across the board.
- the location of exposure can be determined by arranging the Glass fibers 30 in the implant 1 determine the type of action an appropriate selection of a particular radiation.
- the radiation source 29 can be completely independent of the measuring device 13 can be activated, but it is particularly advantageous if, how 3, a controller 31 is assigned to the radiation source 29 which is the radiation source 29 as a function of the measurement data the measuring device 11 switches on and off. To this end is the measuring device 11 via a line 28 with the controller 31 connected.
- the measuring device 11 determines that the elongation of the Implant 1 decreases in a certain area, this is a Signs that part of the power transmission through healing Bone fragments has been taken over, it can then be fed in of electromagnetic radiation in glass fibers 30 the strength of the implant 1 by dissolving part of the plastic material 6 are reduced so that the support function of the implant 1 corresponding to the increase in the stability of the bone connection decreases. This is an optimal adaptation of these sizes to each other possible, moreover, it is conducive to healing if the bone connection is increasingly burdened according to the healing process.
- the introduction of the the radiation source 29 generated radiation via glass fibers 30, the are different from the glass fibers 7 of the measuring device.
- the optical switch 33 can optionally also be operated automatically be, so that it is ensured that, for example, alternately A measurement of the physical condition is carried out via the glass fiber 7 and radiant energy to influence the glass fiber environment is irradiated.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein medizinisches Implantatsystem mit einem Implantat aus einem Verbundwerkstoff, in welchen Glasfasern eingebettet sind, wobei ein in das Implantat eingebettetes, mindestens eine der Glasfasern umfassendes Sensorelement mit einer Meßeinrichtung verbunden ist, die eine physikalische Eigenschafts des Sensorelements oder dessen Umgebung oder deren Änderung bestimmt.The invention relates to a medical implant system with a Implant made of a composite material in which glass fibers are embedded are, at least one embedded in the implant the sensor element comprising glass fibers with a measuring device is connected, which is a physical property of the sensor element or its environment or its change.
Medizinische Implantate, beispielsweise Knochenplatten, Marknägel, Endoprothesen, Osteosynthesesysteme für die Wirbelsäule etc. werden üblicherweise aus metallischen Werkstoffen hergestellt, es sind aber auch Implantate bekannt, die aus einem Verbundwerkstoff bestehen, in welchen zur Verstärkung Glasfasern eingebettet sind, insbesondere bestehen derartige medizinische Implantate aus sterilisierbaren, ausgesuchten Kunststoffen wie Polyetheretherketon, Polyamiden etc.Medical implants, for example bone plates, intramedullary nails, Endoprostheses, osteosynthesis systems for the spine, etc. Usually made from metallic materials, but they are also known implants that consist of a composite material, in which glass fibers are embedded for reinforcement, in particular medical implants of this type consist of sterilizable, selected ones Plastics such as polyether ether ketone, polyamides etc.
Wenn diese Implantate in den Körper eingesetzt sind, sind sie unterschiedlichen Einflüssen ausgesetzt, beispielsweise unterschiedlichen Dehnungen und Spannungen, Temperaturentwicklungen oder chemischen Umgebungen. Es wäre für den behandelnden Art von Interesse, diese unterschiedlichen Parameter zu erfahren, da sie Auskunft geben über den Heilungsverlauf oder über möglicherweise auftretende Probleme.When these implants are inserted into the body, they are different Exposed to influences, for example different Strains and stresses, temperature developments or chemical Environments. It would be of interest to the treating type to experience these different parameters as they provide information about the healing process or about any problems that may arise.
In der US-A-5 792 076 sind medizinische Vorrichtungen beschrieben, in die Glasfasern eingebettet werden können, um über die Glasfasern bestimmte physikalische Eigenschaften von Implantaten oder medizinischen Vorrichtungen zu erfassen. Im Einzelfall wird dabei eine einzelne Faser eingebettet, es ist auch beschrieben, daß mehrere Fasern eingebettet sind, beispielsweise sechs Fasern. Diese Fasern werden beispielsweise längs des Umfanges eines Stabes in regelmäßigen Mustern angeordnet, beispielsweise in Umfangsrichtung oder in radialer Richtung in gleichem Abstand. In all diesen Fällen werden die Glasfasern also ausschließlich als Sensoren verwendet.Medical devices are described in US Pat. No. 5,792,076, can be embedded in the glass fibers to over the glass fibers certain physical properties of implants or medical Detect devices. In individual cases it becomes a single one Fiber embedded, it is also described that multiple fibers are embedded are, for example, six fibers. These fibers are, for example along the circumference of a stick in regular patterns arranged, for example in the circumferential direction or in the radial direction at the same distance. In all of these cases, the glass fibers used only as sensors.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt dem Anmeldegegenstand die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes medizinisches Implantatsystem so zu verbessern, daß man Informationen über physikalische Eigenschaften im Implantat und in seiner Umgebung erhalten kann.Based on this state of the art, the subject of the application lies based on the task of a generic medical implant system to improve so that information about physical Preserve properties in and around the implant can.
Diese Aufgabe wird bei einem medizinischen Implantat der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Glasfasern in Form eines Gewebes, eines Gewirkes oder eines Vlieses als mechanische Verstärkung in den Verbundwerkstoff eingebettet sind.This task is the beginning of a medical implant described type according to the invention solved in that the glass fibers in the form of a woven fabric, a knitted fabric or a fleece as a mechanical Reinforcement are embedded in the composite material.
Die Glasfasern bilden also ein Netzwerk aus, das insgesamt in den Verbundwerkstoff eingebettet ist und diesen dadurch verstärkt.The glass fibers therefore form a network that is integrated into the composite material is embedded and thereby reinforced.
Glasfasern sind zwar in verschiedener Form als Material zur Verstärkung bekannt (DE 39 14 164 C1), jedoch dienen die Glasfasern dabei ausschließlich als Verstärkungsmaterial. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die Glasfasern jedoch gleichzeitig als Verstärkung und als Sensorelement eingesetzt, und dies ist aus dem bekannten Stand der Technik nicht naheliegend gewesen. Glass fibers are in various forms as a material for reinforcement known (DE 39 14 164 C1), but the glass fibers serve exclusively as reinforcement material. As part of the present Invention, however, are the glass fibers at the same time as reinforcement and used as a sensor element, and this is from the known State of the art was not obvious.
Dabei werden unter dem Begriff "Glasfaser" alle faserförmigen, in den Verbundwerkstoff einbettbaren Substanzen verstanden, die in der Lage sind elektromagnetische Strahlung zu führen und zu übertragen, vorzugsweise bestehen diese Fasern aus Quarzglas, es können aber auch andere Substanzen Verwendung finden, beispielsweise Fasern aus Kunststoff, sogenannte Plastic Optical Fibres (POF). Here, the term "glass fiber" all fibrous, in the Composite embeddable substances that are capable of electromagnetic radiation must be conducted and transmitted, preferably these fibers are made of quartz glass, but they can also other substances are used, for example fibers Plastic, so-called plastic optical fibers (POF).
Je nach den mechanischen Anforderungen können die Glasfasern dabei in bestimmten Bereichen des Implantates konzentriert oder aber über die gesamte Ausdehnung des Implantates verteilt sein.Depending on the mechanical requirements, the glass fibers can concentrated in certain areas of the implant or over the entire extent of the implant should be distributed.
Vorzugsweise ist die Meßeinrichtung so ausgebildet, daß sie elektromagnetische Strahlung in das Sensorelement einspeist und aus der Art der durchgehenden und/oder reflektierten Strahlung physikalische Eigenschaften des Sensorelementes oder von dessen Umgebung bestimmt.The measuring device is preferably designed so that it is electromagnetic Radiation feeds into the sensor element and from the Type of continuous and / or reflected radiation physical Properties of the sensor element or determined by its environment.
Die Glasfaser des Sensorelementes ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit einer strahlungsreflektierenden Beschichtung versehen.The glass fiber of the sensor element is according to a preferred embodiment provided with a radiation reflecting coating.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform besteht das Sensorelement im wesentlichen aus der eine Sensorfaser ausbildenden Glasfaser. Bei dieser Ausführungsform ist also die in den Verbundwerkstoff eingebettete Glasfaser gleichzeitig Sensor und Übertragungselement für die elektromagnetische Strahlung.In a first preferred embodiment, the sensor element is present essentially from the glass fiber forming a sensor fiber. In this embodiment, it is in the composite material embedded fiber optic at the same time sensor and transmission element for electromagnetic radiation.
Es sind eine größere Anzahl von unterschiedlichen Ausgestaltungen möglich, bei denen die Glasfaser als Sensorfaser wirkt, beispielsweise kann in die Sensorfaser mindestens ein als Bragg-Gitter wirkender Bereich eingearbeitet sein. In einem solchen Bereich, der periodische Änderungen des Brechungsindex in Längsrichtung der Sensorfaser aufweist, wird Strahlung reflektiert, die sich bei der Reflexion überlagert und sich nur für ganz bestimmte Wellenlängen in Rückrichtung verstärkt. Diese Wellenlänge hängt von der Periodizität des Bragg-Gitterbereiches ab und ändert sich mit dieser Periodizität. Jede Längenänderung der Sensorfaser oder jede Änderung der Periodizität des Bragg-Gitters, die aufgrund von äußeren Einflüssen eintritt, kann auf diese Weise in Form einer Wellenlängenverschiebung festgestellt werden.There are a large number of different configurations possible in which the glass fiber acts as a sensor fiber, for example can at least one acting as a Bragg grating in the sensor fiber Area incorporated. In such an area, the periodic Changes in the refractive index in the longitudinal direction of the sensor fiber has radiation is reflected, which is superimposed on reflection and only for very specific wavelengths in the reverse direction strengthened. This wavelength depends on the periodicity of the Bragg grating area and changes with this periodicity. Every change in length the sensor fiber or any change in the periodicity of the Bragg-lattice, which occurs due to external influences, can occur can be determined in the form of a wavelength shift.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß in die Sensorfaser eine durch die eingespeiste elektromagnetische Strahlung zu Fluoreszenz angeregte Substanz eingebettet ist, deren Fluoreszenzeigenschaften unter Einwirkung der Umgebung außerhalb der Sensorfaser Änderungen erfahren. Diese Änderungen können mechanische Änderungen sein, insbesondere kann jedoch die Fluoreszenzeigenschaft der eingebetteten Substanz durch die chemische Umgebung der Sensorfaser beeinflußt werden, beispielsweise kann die Fluoreszenz durch bestimmte Substanzen in der Umgebung gelöscht werden.In another preferred embodiment can be provided be that in the sensor fiber one by the fed electromagnetic Radiation to fluorescence-excited substance is embedded, their fluorescent properties under the influence of the environment experienced changes outside the sensor fiber. These changes can be mechanical changes, but in particular the Fluorescence property of the embedded substance through the chemical Environment of the sensor fiber can be influenced, for example can the fluorescence from certain substances in the environment to be deleted.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die strahlungsreflektierende Beschichtung aus einer Substanz besteht, die unter Einwirkung der Umgebung außerhalb der Sensorfaser das Reflexionsverhalten für die elektromagnetische Strahlung in der Sensorfaser verändert. Dadurch wird die durch die Sensorfaser hindurchtretende und reflektierte Strahlungsmenge verändert, und dies läßt sich feststellen.In a further preferred embodiment it is provided that the radiation-reflecting coating consists of a substance, under the influence of the environment outside the sensor fiber Reflection behavior for the electromagnetic radiation in the sensor fiber changed. As a result, the one passing through the sensor fiber and reflected amount of radiation changes, and this leaves establish themselves.
Jede Änderung der Eigenschaften in der Strahlung kann detektiert werden, es kann sich dabei um Änderungen der Wellenlänge, der Phasenlage, der Polarisation etc. handeln, wesentlich ist lediglich, daß diese Änderungen in klar erkennbarem Zusammenhang mit Änderungen der Eigenschaften in der Umgebung der Sensorfaser stehen, also beispielsweise mit Änderungen der mechanischen Spannung, der Temperatur oder der stofflichen Zusammensetzung.Any change in the properties of the radiation can be detected changes in wavelength, phase position, the polarization, etc., it is only essential that this Changes in a clearly recognizable context with changes of the properties in the vicinity of the sensor fiber, for example with changes in mechanical tension, temperature or the material composition.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß das Sensorelement die Glasfaser umfaßt und ein weiteres Sensorglied, welches über die Glasfaser mit der Meßeinrichtung verbunden ist. Bei dieser Ausgestaltung wirkt die Glasfaser im wesentlichen als Übertragungselement zwischen dem Sensorglied und der Meßeinrichtung.In a further preferred embodiment can be provided be that the sensor element comprises the glass fiber and another Sensor element, which is connected to the measuring device via the glass fiber is. With this configuration, the glass fiber essentially acts as a transmission element between the sensor element and the Measuring device.
Beispielsweise kann das Sensorglied ein Drucksensor mit einer flexiblen Membran und einem von dieser bewegbaren Spiegelelement sein, welches die in die Glasfaser eingespeiste elektromagnetische Strahlung je nach Stellung unterschiedlich reflektiert.For example, the sensor element can be a pressure sensor with a flexible one Membrane and one of these movable mirror element, which the electromagnetic radiation fed into the glass fiber reflected differently according to position.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Sensorglied ein Fabry-Pérot-Interferometer sein.In a further embodiment, the sensor element can be a Fabry-Perot interferometer his.
Beispielsweise kann dabei vorgesehen sein, daß das Fabry-Perot-Interferometer als auf das Ende der Glasfaser aufkontaktiertes Dünnschicht-Interferometer ausgebildet ist, dessen aktive Schicht unter dem Einfluß der Umgebung Dimensionsänderungen erfährt. Eine solche aktive Schicht kann beispielsweise porös ausgebildet sein und quellen, wenn sie mit einer Flüssigkeit in Verbindung kommt, auf diese Weise ist zum Beispiel feststellbar, ob ein Implantat noch abgedichtet ist oder eine erwünschte oder unerwünschte Öffnung zur Umgebung aufweist.For example, it can be provided that the Fabry-Perot interferometer as a thin-film interferometer contacted on the end of the glass fiber is formed, the active layer under the influence of the environment experiences dimensional changes. Such active layer can for example be porous and swell, when it comes in contact with a liquid, this way For example, it can be determined whether an implant is still sealed or has a desired or undesirable opening to the environment.
Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Fabry-Perot-Interferometer zwei Glasfasern mit polierten Endflächen umfaßt, deren Abstand durch Umgebungseinflüsse veränderbar ist. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann günstig, wenn Dehnungen oder Verschiebungen innerhalb eines Implantates festgestellt werden sollen.In another embodiment it is provided that the Fabry-Perot interferometer comprises two glass fibers with polished end faces, whose distance can be changed by environmental influences. This configuration is particularly beneficial when there are strains or displacements should be determined within an implant.
Die Glasfaser des Sensorelementes kann direkt mit der Meßeinrichtung verbunden sein, wobei die Meßeinrichtung im Innern des Körpers getragen werden kann, aber auch außerhalb. Im letzteren Fall wird die Glasfaser aus dem Implantat durch das Körpergewebe nach außen geführt, so daß dort eine Verbindung zu der Meßeinrichtung hergestellt werden kann.The glass fiber of the sensor element can be used directly with the measuring device be connected, the measuring device being carried inside the body can be, but also outside. In the latter case, the Glass fiber from the implant through the body tissue to the outside performed so that there is a connection to the measuring device can be.
Besonders günstig ist es, wenn die Meßeinrichtung ein in den Körper implantierbarer Mikrocontroller ist.It is particularly favorable if the measuring device is in the body implantable microcontroller.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Glasfaser mit einem Übertrager verbunden, der ohne körperliche Verbindung Signale mit der Meßeinrichtung austauscht.In a particularly preferred embodiment, the glass fiber is included connected to a transmitter that signals without physical connection exchanged with the measuring device.
Dieser Übertrager kann insbesondere in den Körper implantierbar sein, beispielsweise kann es sich dabei um einen Transponder handeln.This transmitter can in particular be implantable in the body, for example, it can be a transponder.
Bei einer besonders günstigen Ausführungsform ist der Übertrager eine Lichtquelle, der ein Lichtempfänger zugeordnet ist. Es hat sich herausgestellt, daß Licht unterschiedlicher Wellenlänge Körpergewebe in gewissem Umfange durchdringen kann, so daß zwischen einem Lichtempfänger und einer Lichtquelle, von denen ein Teil im Körper und ein Teil außerhalb angeordnet sind, durch Licht eine Übertragung von Strahlungsenergie möglich ist, insbesondere dann, wenn die Lichtquelle elektromagnetische Strahlung im Bereich zwischen 650 und 1000 nm aussendet.In a particularly favorable embodiment, the transmitter is a Light source to which a light receiver is assigned. It turned out that light of different wavelengths body tissue in some Extensions can penetrate, so that between a light receiver and a light source, part of which is in the body and one Part are arranged outside, transmitted by light Radiant energy is possible, especially when the light source electromagnetic radiation in the range between 650 and 1000 nm sending out.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Meßeinrichtung ein Strahlungssender zugeordnet, der über eine Glasfaser im Implantat Strahlung in das Innere des Implantates transportiert. Ein solcher Strahlungssender kann dazu verwendet werden, zusätzlich zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften des Implantates durch die eingekoppelte Strahlung auf das Implantat einzuwirken und dieses zu verändern, beispielsweise durch Erwärmung in bestimmten Bereichen oder dergleichen.In a particularly preferred embodiment, the measuring device a radiation transmitter is assigned, which uses a glass fiber in the implant Radiation is transported into the interior of the implant. Such a Radiation transmitter can be used in addition to Determination of the physical properties of the implant by the coupled radiation to act on the implant and this to change, for example by heating in certain areas or similar.
Es kann dabei vorgesehen sein, daß der Transport der Strahlung über eine Glasfaser erfolgt, die zusätzlich zu der Glasfaser eines Sensorelementes in das Implantat eingebettet ist, es kann aber auch vorgesehen sein, daß der Transport der Strahlung über die Glasfaser eines Sensorelementes erfolgt. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn entsprechende Schaltelemente Verwendung finden, welche die Glasfaser wahlweise mit der Meßeinrichtung und mit dem Strahlungssender verbinden.It can be provided that the transport of the radiation via a glass fiber takes place in addition to the glass fiber of a sensor element is embedded in the implant, but it can also be provided be that the transport of the radiation over the glass fiber of a sensor element he follows. In this case it is advantageous if appropriate Switching elements are used which select the fiber optics connect to the measuring device and to the radiation transmitter.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der Wellenlänge und Intensität der transportierten Strahlung so gewählt sind, daß die Strahlung in dem Verbundwerkstoff des Implantates mechanische und/oder stoffliche Veränderungen hervorruft. Beispielsweise ist es dadurch möglich, eine zusätzliche Aushärtung eines polymeren Verbundwerkstoffes in bestimmten Bereichen vorzunehmen oder umgekehrt eine Schwächung durch Zerstörung des Verbundwerkstoffes, so daß auf diese Weise die mechanischen Eigenschaften des Implantates in größeren Bereichen oder aber auch lokal geändert werden können. A configuration in which the wavelength and is particularly advantageous Intensity of the transported radiation are chosen so that the radiation mechanical and / or in the composite material of the implant causes material changes. For example, it is possible, an additional curing of a polymer composite in certain areas or vice versa Weakening by destroying the composite material, so that on this way the mechanical properties of the implant in larger Areas or can be changed locally.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist dabei vorgesehen, daß der Meßeinrichtung und dem Strahlungssender eine Steuerung zugeordnet ist, die den Strahlungssender in Abhängigkeit von den Meßgrößen der Meßeinrichtung aktiviert. Bei dieser Ausgestaltung ist es möglich, die physikalischen Daten des Implantates laufend zu bestimmen, beispielsweise die auf das Implantat übertragenen mechanischen Spannungen, die zum Beispiel ein Maß für den Heilungsprozeß sind, diese Spannungen nehmen mit zunehmender Stabilität an der Knochenverbindung ab, da ein Teil der Belastungen durch den Knochen übernommen wird. Es ist dann günstig, entsprechend dieser Regeneration der Knochenverbindung die Festigkeit des Implantates herabzusetzen, so daß die Kraftübertragungsfunktion zunehmend von dem heilenden Knochen übernommen wird.In a particularly preferred embodiment, that the measuring device and the radiation transmitter a controller is assigned, which the radiation transmitter depending on the Measured variables of the measuring device activated. In this configuration is it is possible to continuously determine the physical data of the implant, for example the mechanical transferred to the implant Tensions, for example, a measure of the healing process are, these tensions increase with increasing stability Bone connection as part of the stress from the bone is taken over. It is then cheap, according to this regeneration to reduce the strength of the implant of the bone connection, so that the power transmission function increasingly from that healing bones.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
- Figur 1:
- eine schematische Ansicht eines Implantats in Form einer Knochenplatte mit einer drahtlosen Verbindung zu einer Meßeinrichtung;
- Figur 2:
- eine schematische Ansicht eines plattenförmigen Implantates mit einer netzförmigen Glasfaserverstärkung;
- Figur 3:
- eine schematische Ansicht eines Implantats in Form einer Knochenplatte mit einer an mehrere Glasfasern angeschlossenen Meßeinrichtung und mit einer Strahlungsquelle zur Einführung von Strahlung in eine nicht mit der Meßeinrichtung verbundene Glasfaser;
- Figur 4:
- eine Ansicht ähnlich Figur 3 mit einer Schalteinrichtung zur wahlweisen Verbindung von Glasfasern im Implantat mit der Meßeinrichtung oder mit der Strahlungsquelle;
- Figur 5:
- eine schematische Seitenansicht einer Glasfaser mit Bragg-Gitter-Bereichen unterschiedlicher Periodizität;
- Figur 6:
- eine schematische Seitenansicht einer Glasfaser mit eingebetteten fluoreszierenden Farbstoffpartikeln;
- Figur 7:
- eine schematische Seitenansicht einer Glasfaser mit einer Ummantelung mit veränderlichen Transmissionseigenschaften;
- Figur 8:
- eine schematische Seitenansicht eines mit einer Glasfaser verbundenen Fabry-Pérot-Interferometers mit zwei gegeneinander bewegten Glasfaserstükken;
- Figur 9:
- eine Ansicht ähnlich Figur 8 mit einer dimensionsveränderlichen aktiven Schicht und
- Figur 10:
- eine schematische Seitenansicht einer Glasfaser mit einem Membrandrucksensor.
- Figure 1:
- a schematic view of an implant in the form of a bone plate with a wireless connection to a measuring device;
- Figure 2:
- a schematic view of a plate-shaped implant with a net-shaped glass fiber reinforcement;
- Figure 3:
- a schematic view of an implant in the form of a bone plate with a measuring device connected to a plurality of glass fibers and with a radiation source for introducing radiation into a glass fiber not connected to the measuring device;
- Figure 4:
- a view similar to Figure 3 with a switching device for the optional connection of glass fibers in the implant with the measuring device or with the radiation source;
- Figure 5:
- a schematic side view of a glass fiber with Bragg grating regions of different periodicity;
- Figure 6:
- a schematic side view of a glass fiber with embedded fluorescent dye particles;
- Figure 7:
- a schematic side view of a glass fiber with a sheath with variable transmission properties;
- Figure 8:
- is a schematic side view of a Fabry-Pérot interferometer connected to a glass fiber with two pieces of glass fiber moved against each other;
- Figure 9:
- a view similar to Figure 8 with a dimensionally variable active layer and
- Figure 10:
- is a schematic side view of an optical fiber with a membrane pressure sensor.
Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel einer Knochenplatte erläutert, es versteht sich aber, daß die Erfindung allgemein für in den Körper einsetzbare medizinische Implantate verwendbar ist und nicht auf Knochenplatten beschränkt ist.The invention is explained below using the example of a bone plate, it is understood, however, that the invention is general for in the body insertable medical implants can be used and not on Bone plates is limited.
Ein Implantat 1 in Form einer Knochenplatte mit Öffnungen 2 zur Aufnahme
von Knochenschrauben ist in an sich bekannter Weise mittels
Knochenschrauben so mit zwei Knochenfragmenten 3, 4 verbunden,
daß diese in einer bestimmten Relativposition zueinander fixiert sind,
so daß beispielsweise eine Bruchstelle 5 verheilen kann (Figur 1). Das
Implantat 1 besteht aus einem Kunststoffmaterial, beispielsweise aus
einem resorbierbaren Kunststoff wie Polylactid (PLLA, PL DLLA), Polyglycolit
(PGA) oder Trimethylencarbonat (TMC), und in dieses Kunststoffmaterial
6 sind Glasfasern 7 eingebettet. Im Ausführungsbeispiel
der Figur 1 sind schematisch nur zwei einzelne Glasfasern 7 dargestellt,
die sich in Längsrichtung des plattenförmigen Implantates 1 erstrecken,
im Ausführungsbeispiel der Figur 2 sind eine Vielzahl von
Glasfasern 7 in Form eines Netzes angedeutet, welches insgesamt in
das Kunststoffmaterial 6 eingebettet ist, hier sind die unterschiedlichsten
Anordnungen und Konzentrationen von Glasfasern in dem Kunststoffmaterial
6 möglich. Die Glasfasern verstärken durch diese Einbettung
das Kunststoffmaterial 6, und dementsprechend werden unterschiedliche
Verteilungen im Implantat gewählt, je nach den mechanischen
Festigkeitsanforderungen. An
Die Glasfasern 7 im Ausführungsbeispiel der Figur 1 sind mit einem
Übertragungselement 8 verbunden, beispielsweise einem üblichen
Transponder, der am Implantat 1 selbst oder im Abstand vom Implantat
1 im Innern des Körpers des Patienten oder aber auch auf der
Oberfläche des Körpers des Patienten angeordnet werden kann, es
kann sich dabei auch um ein optisches Element handeln, welches Licht
empfangen und aussenden kann, beispielsweise ein kleiner Parabolspiegel,
eine Linse oder dergleichen. Im Ausführungsbeispiel der Figur
1 sind alle im Implantat 1 angeordneten Glasfasern 7 mit dem Übertragungselement
8 verbunden, im Ausführungsbeispiel der Figur 2 nur
einige, während andere Glasfasern ausschließlich der Verstärkung des
Implantates 1 dienen. Dies kann von Fall zu Fall unterschiedlich gewählt
werden, im Extremfall genügt es, eine einzige Glasfaser 7 im Implantat
1 mit einem solchen Übertragungselement 8 zu verbinden.The
Dem Übertragungselement 8 ist ein entsprechendes Übertragungselement
9 zugeordnet, welches über eine Leitung 10 mit einer Meßeinrichtung
11 verbunden ist. Zwischen den Übertragungselementen 8
und 9 können Signale ausgetauscht werden, es kann sich dabei um
elektrische Signale, um optische Signale, um mechanische Signale
(Ultraschall) handeln, wesentlich ist lediglich, daß von dem Übertragungselement
8 in die Glasfaser und gegebenenfalls von der Glasfaser
in das Übertragungselement 8 elektromagnetische Energie übertragen
wird, die im Übertragungselement 8 in Signale umgesetzt wird, die
dann in beliebiger Weise zum Übertragungselement 9 und damit zur
Meßeinrichtung 11 geleitet werden können. Insbesondere können die
Übertragungselement 8 und 9 bei einer Anordnung des Übertragungselements
8 im Innern des Körpers zwischen sich eine elektromagnetische
Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 650 und 1000 Nanometer
austauschen, diese elektromagnetische Strahlung kann das Körpergewebe
bis zu einer bestimmten Tiefe durchdringen und kann somit
eine Signalverbindung zwischen den beiden Übertragungselementen 8
und 9 herstellen, und zwar sowohl in Einstrahlrichtung als auch in Ausstrahlrichtung.The
Die auf diese Weise in die Glasfaser 7 eingekoppelte Strahlung wird in
der Glasfaser 7 geführt und durch diese selbst oder durch ein mit ihr
verbundenes Sensorglied 12 verändert, und zwar abhängig von den
physikalischen Zustandsdaten der Glasfaser 7, des Sensorgliedes 12
oder der Umgebung derselben. Die daraufhin aus der Glasfaser 7 dem
Übertragungselement 8 in Rückrichtung zugeführte Strahlung ist dementsprechend
verändert, und diese Veränderung läßt sich von der Meßeinrichtung
11 feststellen, die damit eine Rückmeldung über Änderungen
des physikalischen Zustands der Glasfaser, des Sensorgliedes 12
und/oder der Umgebung derselben erhält.The radiation coupled into the
Die Möglichkeiten zur Einwirkung auf die in die Glasfaser 7 eingespeiste
elektromagnetische Strahlung sind vielfältig, es lassen sich auf diese
Weise Längenänderungen, Verformungen, mechanische Zugspannungen,
Kräfte, Schwingungen, Drücke, Drehwinkel, elektrische oder magnetische
Feldstärken, Ströme, Temperaturen, Feuchte, ionisierende
Strahlungen oder Konzentration oder Anwesenheit von chemischen
Substanzen bestimmen, dies ist lediglich eine Auswahl der möglichen
physikalischen Zustände, die auf diese Weise feststellbar sind. Anhand
der Figuren 5 bis 10 werden nachstehend einige Beispiele der Beeinflussung
der elektromagnetischen Strahlung in einer Glasfaser erörtert. The possibilities for acting on the fed into the
In Figur 5 ist ein Ausschnitt einer Glasfaser 7 dargestellt, in dieser
Glasfaser sind in Längsrichtung im Abstand voneinander angeordnet
verschiedene Bereiche 13, 14, 15 vorgesehen, bei denen in Längsrichtung
der Faser periodische Änderungen des Brechungsindex auftreten.
Diese lassen sich zum Beispiel dadurch erzeugen, daß eine beispielsweise
mit Germaniumdioxid dotierte Quarzglasfaser über eine mikrolithographische
Maske mit Ultraviolettlicht von 240 nm Wellenlänge
bestrahlt wird. Es entsteht dadurch in jedem Bereich 13, 14, 15 eine
Anordnung eines Bragg-Gitters, wobei die Periodizität und damit die
Gitterkonstante in verschiedenen Bereichen 13, 14, 15 unterschiedlich
gewählt werden.A section of an
An jedem dieser Bragg-Gitter wird durch Interferenzstrahlung eine
ganz bestimmte Wellenlänge reflektiert, diese Wellenlänge ist abhängig
von der Periodizität des Gitters und ändert sich damit auch, wenn dieses
die Periodizität ändert. Eine solche Änderung der Periodizität oder
Gitterkonstante kann durch äußere Einflüsse erfolgen, beispielsweise
durch Dehnung der Glasfaser, durch Biegung der Glasfaser, durch Erwärmung
etc. Da in jedem Bereich 13, 14, 15 nur Strahlung einer bestimmten
Wellenlänge reflektiert wird, kann man an der Wellenlänge
der reflektierten Strahlung sofort ablesen, an welchem Bereich eine
Reflexion erfolgt ist, außerdem gibt die Verschiebung der Wellenlänge
Auskunft über Änderungen der Gitterabstände in diesen Bereichen, also
zum Beispiel über die Dehnung der Glasfaser in bestimmten Bereichen.
Diese kann in den Bereichen 13, 14, 15 unterschiedlich sein, die
Meßeinrichtung kann aus der reflektierten Strahlung Aussagen darüber
machen, wie groß eine Dehnung in jedem der Bereiche 13, 14, 15 ist.
Damit erhält man insbesondere bei der Verwendung von mehreren
derartigen Glasfasern eine genaue Auskunft über die Verformung des
Implantates 1 im Körper und damit zum Beispiel über den Heilungsfortgang
beim Zusammenwachsen von Knochenfragmenten. Die Dehnung
aufgrund der ausgeübten Kräfte wird am größten sein, wenn die
Knochenfragmente noch nicht zusammengewachsen sind, und sie wird
mit dem Heilungsfortgang laufend abnehmen.At each of these Bragg gratings an interference radiation
very specific wavelength is reflected, this wavelength is dependent
on the periodicity of the lattice and thus also changes when this
the periodicity changes. Such a change in periodicity or
Lattice constant can be caused by external influences, for example
by stretching the glass fiber, by bending the glass fiber, by heating
etc. Since in each
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 6 sind in die Glasfaser 7 in
einem bestimmten Bereich 16 Farbstoffpartikel 17 eingebettet, die
durch in die Glasfaser 7 eintretende elektromagnetische Strahlung zur
Fluoreszenz angeregt werden. Die auf diese Weise abgegebene Strahlung
kann von der Meßeinrichtung bestimmt werden. Umgebungseinflüsse,
beispielsweise bestimmte chemische Substanzen in der Umgebung
des Bereiches 16, können die Fluoreszenz beeinflussen, beispielsweise
kann die Fluoreszenzintensität herabgesetzt oder aber die Fluoreszenz
ganz gelöscht werden. Die Meßeinrichtung erhält auf diese
Weise Information über die Anwesenheit bestimmter chemischer Substanzen
in der Umgebung des Bereiches 16.In the exemplary embodiment in FIG. 6, the
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 7 ist die Glasfaser 7 mit einer Beschichtung
18 umhüllt, die einen Austritt der durch die Glasfaser 7 geführten
elektromagnetischen Strahlung verhindert. Diese Beschichtung
kann mit chemischen Stoffen 19 in der Umgebung reagieren und sich
dabei so umsetzen, daß die Austrittseigenschaften der elektromagnetischen
Strahlung in dem Bereich geändert werden, in dem sich der chemische
Stoff 19 befindet, und auf diese Weise erhält man wieder eine
Änderung der reflektierten Strahlung in Abhängigkeit von bestimmten
chemischen Stoffen 19 in der Umgebung der Glasfaser 7. In the exemplary embodiment in FIG. 7, the
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 8 steht das plangeschliffene Ende
20 der Glasfaser 7 einem ebenfalls plangeschliffenen Ende 21 eines
Glasfaserstückes 22 gegenüber, wobei zwischen den Enden 20 und 21
ein sehr schmaler Spalt 23 entsteht, die Spaltbreite A kann beispielsweise
in der Größenordnung von 50 mm liegen. Diese Anordnung bildet
ein Fabry-Pérot-Interferometer aus und reflektiert Strahlung einer ganz
bestimmten Wellenlänge, diese ist abhängig von der Spaltbreite A.
Verschieben sich die beiden Enden 20 und 21 relativ zueinander, ergibt
sich also auch eine Verschiebung der Wellenlänge der reflektierten
Strahlung, und dies läßt sich sehr empfindlich feststellen. Auch auf diese
Weise lassen sich zum Beispiel Dehnungen des Implantates, die auf
die Glasfaser 7 und das Glasfaserstück 22 übertragen werden, ohne
weiteres feststellen.In the embodiment of Figure 8, the
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 9 ist eine ähnliche Anordnung gewählt,
jedoch ist in den Spalt 23 eine aktive Lage 24 eingesetzt, die
ihre Dimension, beispielsweise ihr Volumen, in Abhängigkeit von Umgebungseinflüssen
ändert. Es kann sich dabei beispielsweise um eine
poröse Struktur handeln, die beim Eintritt von Flüssigkeit in die Poren
aufquillt. Die Spaltbreite B verändert sich dadurch, und dies führt zu
einer Veränderung der Wellenlänge der an der Fabry-Pérot-Anordnung
reflektierten Strahlung.In the exemplary embodiment in FIG. 9, a similar arrangement is selected,
however, an
Die Fabry-Pérot-Anordnungen der Figuren 8 und 9 bilden somit ein
Sensorglied 12 aus, das über die Glasfaser 7 mit der Meßeinrichtung
11 in Verbindung steht, bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 5
bis 7 dagegen ist die Glasfaser 7 selbst ein Sensorelement, es handelt
sich hier also um Glasfasern, die selbst Sensorfasern sind. The Fabry-Perot arrangements of FIGS. 8 and 9 thus form one
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 10 ist der Glasfaser 7 ein Sensorglied
12 in Form eines Drucksensors 25 zugeordnet. Dieser umfaßt
eine flexible Membran 26, die einseitig mit einer Spiegelschicht 27 versehen
ist. Ordnet man diesen Drucksensor 25 am Ende einer Glasfaser
7 an, so ändert sich mit der Verformung der Membran 26, die druckabhängig
erfolgt, die in die Glasfaser 7 zurückgeworfene elektromagnetische
Strahlung, und damit erhält man wieder ein Maß für den
Druck am Ende der Glasfaser 7.In the exemplary embodiment in FIG. 10, the
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 sind Glasfasern 7, die
aus dem Implantat 1 herausgeführt sind, direkt oder indirekt mit der
Meßeinrichtung 11 verbunden.In the embodiment of Figures 1 and 2 are
Dies ist bei der Ausführung gemäß Figur 3, die ähnlich aufgebaut ist
wie die der Figur 1 und bei der gleiche Teile entsprechende Bezugszeichen
tragen, ähnlich gelöst, die Verbindung des Übertragungselementes
8 mit der Meßeinrichtung 11 ist bei dem Ausführungsbeispiel in der
Figur 3 durch eine Leitung 10 symbolisiert, es kann sich dabei um eine
körperliche Leitung oder um eine leitungslose Übertragungsstrecke
handeln.This is the case in the embodiment according to FIG. 3, which has a similar structure
like that of FIG. 1 and corresponding reference numerals for the same parts
wear, similarly solved, the connection of the
Zusätzlich ist bei dieser Ausführungsform eine Strahlungsquelle 29
vorgesehen, die mit einer oder mehreren Glasfasern 30 in Verbindung
stehen, die in das Kunststoffmaterial 6 des Implantates 1 eingebettet
sind. Im Ausführungsbeispiel der Figur 3 ist nur eine derartige Glasfaser
30 dargestellt, die direkt mit der Strahlungsquelle 29 verbunden
ist, dies ist lediglich als schematische Darstellung aufzufassen. Auch
hier können mehrere Glasfasern 30 vorgesehen sein, die in ähnlicher
Weise, wie die Glasfasern 7 mit der Meßeinrichtung verbunden sind,
ihrerseits mit der Strahlungsquelle 29 verbunden sind, also über Übertragungselemente,
die im Körper oder außerhalb angeordnet sein
könnten, etc.In addition, in this embodiment there is a
Die Strahlungsquelle 29 kann in die Glasfasern 30 eine elektromagnetische
Strahlung einspeisen, die im Innern des Implantates 1 austritt
und dort eine direkte Beeinflussung der Umgebung erzeugt, beispielsweise
eine Aufwärmung des umgebenden Kunststoffmaterials 6 oder
aber eine zusätzliche Aushärtung durch erhöhte Polymerisation oder
aber eine Auflösung von Polymerisationsverbindungen etc. Hier sind
eine Vielzahl von Wirkungen denkbar, die abhängen von der Natur des
verwendeten Kunststoffmaterials 6 und von der Natur der eingespeisten
elektromagnetischen Strahlung. Die Wirkung dieser eingespeisten
elektromagnetischen Strahlung ist in jedem Falle eine Beeinflussung
der physikalischen Daten des Kunststoffmaterials 6 und eventuell der
Umgebung des Implantates 1, beispielsweise kann die Festigkeit des
Implantates lokal oder flächendeckend erhöht oder erniedrigt werden.
Den Ort der Einwirkung kann man durch entsprechende Anordnung der
Glasfasern 30 im Implantat 1 bestimmen, die Art der Einwirkung durch
eine entsprechende Auswahl einer bestimmten Strahlung.The
Die Strahlungsquelle 29 kann völlig unabhängig von der Meßeinrichtung
13 aktiviert werden, es ist aber besonders vorteilhaft, wenn, wie
in Figur 3 dargestellt, der Strahlungsquelle 29 eine Steuerung 31 zugeordnet
ist, die die Strahlungsquelle 29 in Abhängigkeit von den Meßdaten
der Meßeinrichtung 11 ein- und ausschaltet. Zu diesem Zweck
ist die Meßeinrichtung 11 über eine Leitung 28 mit der Steuerung 31
verbunden. The
Stellt beispielsweise die Meßeinrichtung 11 fest, daß die Dehnung des
Implantates 1 in einem bestimmten Bereich abnimmt, so ist dies ein
Zeichen dafür, daß ein Teil der Kraftübertragung durch verheilende
Knochenfragmente übernommen worden ist, es kann dann durch Einspeisen
von elektromagnetischer Strahlung in Glasfasern 30 die Festigkeit
des Implantates 1 durch Auflösen eines Teils des Kunststoffmaterials
6 herabgesetzt werden, so daß die Stützfunktion des Implantates
1 entsprechend der Zunahme der Stabilität der Knochenverbindung
abnimmt. Damit ist eine optimale Anpassung dieser Größen aneinander
möglich, außerdem ist es für die Heilung förderlich, wenn die Knochenverbindung
entsprechend dem Heilvorgang zunehmend belastet wird.For example, the measuring
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 erfolgt die Einführung der von
der Strahlungsquelle 29 erzeugten Strahlung über Glasfasern 30, die
von den Glasfasern 7 der Meßeinrichtung verschieden sind.In the embodiment of Figure 3, the introduction of the
the
Es ist auch möglich, sowohl die Messung der physikalischen Zustandsdaten
als auch die Einspeisung von elektromagnetischer Strahlung
über dieselben Glasfasern 7 vorzunehmen, dies ist in Figur 4 schematisch
dargestellt. Zu diesem Zweck ist zwischen das Übertragungselement
8 einerseits und die Meßeinrichtung 11 und die Strahlungsquelle
29 andererseits ein optischer Schalter 33 eingeschaltet, der wahlweise
eine Verbindung der Glasfasern 7 mit der Meßeinrichtung 11 oder der
Strahlungsquelle 29 ermöglicht. In Figur 4 ist dies durch den Doppelpfeil
C symbolisch angedeutet. Schalter dieser Art stehen in verschiedener
Weise zur Verfügung, es kann sich dabei um mechanische
Schalter handeln, die beispielsweise ein Glasfaser zwischen zwei Einkoppelstellen
verschieben, oder aber auch um Schalter, die elektromagnetisch,
piezoelektrisch oder thermisch arbeiten, hier sind dem
Fachmann eine große Anzahl unterschiedlicher Schalter bekannt, die zu
diesem Zweck eingesetzt werden können.It is also possible to measure both the physical state data
as well as the feeding of electromagnetic radiation
to carry out over the
Der optische Schalter 33 kann gegebenenfalls auch automatisch betätigt
werden, so daß sichergestellt ist, daß beispielsweise abwechselnd
über die Glasfaser 7 eine Messung des physikalischen Zusandes vorgenommen
wird und Strahlungsenergie zur Beeinflussung der Glasfaserumgebung
eingestrahlt wird.The optical switch 33 can optionally also be operated automatically
be, so that it is ensured that, for example, alternately
A measurement of the physical condition is carried out via the
Claims (25)
- A medical implant system having an implant (1) made of a composite material, in which glass fibres (7) are embedded, wherein a sensor element embedded in the implant (1) and comprising at least one of the glass fibres (7) is connected to a measuring device (11) which measures a physical property of the sensor element or of its environment, or of a change therein, characterised in that the glass fibres (7) in the form of a tissue, or a piece of knitted material or a fleece, are embedded in the composite material as mechanical reinforcement.
- An implant system according to Claim 1, characterised in that the glass fibres (7) in the composite material are distributed over the whole extent of the implant (1).
- An implant system according to any one of the preceding claims, characterised in that the measuring device (11) supplies electromagnetic radiation to the sensor element and measures physical properties of the sensor element or of its environment from the nature of the radiation passing through and/or being reflected.
- An implant system according to Claim 3, characterised in that the glass fibre (7) of the sensor element is provided with a radiation-reflecting coating (18).
- An implant system according to any one of the preceding claims, characterised in that the sensor element consists substantially of the glass fibre (7) forming a sensor fibre.
- An implant system according to Claim 5, characterised in that at least one region (13, 14, 15) functioning as a Bragg lattice is embedded in the sensor fibre.
- An implant system according to [Claim] 5, characterised in that a substance (17) in which fluorescence is induced by the supplied electromagnetic radiation is embedded in the sensor fibre, the fluorescence properties of which substance undergo changes under the influence of the chemical environment outside the sensor fibre.
- An implant system according to Claims 4 and 5, characterised in that the radiation-reflecting coating (18) consists of a substance which, under the influence of the chemical environment (19) outside the sensor fibre, alters the reflection behaviour in respect of the electromagnetic radiation within the sensor fibre.
- An implant system according to any one of Claims 1 to 3, characterised in that the sensor element comprises the glass fibre (7) and another sensor member (12) which is connected to the measuring device (11) via the glass fibre (7).
- An implant system according to Claim 9, characterised in that the sensor member (12) is a pressure sensor (25) having a flexible membrane (26) and a mirror element (27) movable by the said membrane, which mirror element position-dependently variously reflects the electromagnetic radiation supplied to the glass fibre (7).
- An implant system according to Claim 9, characterised in that the sensor member (12) is a Fabry-Pérot interferometer.
- An implant system according to Claim 11, characterised in that the Fabry-Pérot interferometer is in the form of a thin-layer interferometer (21, 22, 24) contacted on to the end (20) of the glass fibre (7), the active layer of which thin-layer interferometer undergoes changes in dimension under the influence of the environment.
- An implant system according to Claim 11, characterised in that the Fabry-Pérot interferometer comprises two glass fibres (7, 22) having polished end faces (20, 21), the distance between which (B) is variable due to environmental influences.
- An implant system according to any one of the preceding claims, characterised in that the glass fibre (7) of the sensor element is directly connected to the measuring device (11).
- An implant system according to Claim 14, characterised in that the measuring device is a microcontroller implantable in the body.
- An implant system according to any one of Claims 1 to 13, characterised in that the glass fibre (7) is connected to a transmitter (8) which, without physical contact, exchanges signals with the measuring device (11).
- An implant system according to Claim 16, characterised in that the transmitter (8) is implantable in the body.
- An implant system according to Claim 16 or 17, characterised in that the transmitter (8) is a transponder.
- An implant system according to Claim 16 or 17, characterised in that the transmitter is a light source with which a light detector is associated.
- An implant system according to Claim 19, characterised in that the light source emits electromagnetic radiation in the range between 650 and 1000 nm.
- An implant system according to any one of the preceding claims, characterised in that the measuring device (11) is associated with a radiation transmitter (29) which, via a glass fibre (7; 30) in the implant (1), transports radiation into the interior of the implant (1).
- An implant system according to Claim 21, characterised in that the radiation is transported via the glass fibre (7) of a sensor element.
- An implant system according to Claim 21, characterised in that the radiation is transported via a glass fibre (30) which, like the glass fibre (7) of a sensor element, is embedded in the implant (1).
- An implant system according to any one of Claims 21 to 23, characterised in that the wavelength and intensity of the transported radiation is selected such that the radiation induces mechanical and/or material changes in the composite material of the implant
- An implant system according to any one of Claims 21 to 24, characterised in that the measuring device (11) and the radiation transmitter (29) are associated with a controller (31) which activates the radiation transmitter as a function of the measured variables of the measuring device (11).
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